Главный недостаток тока
в том, что его не видно,
но это не значит, что его нет…
Судя по возрастающему интересу к самодельным автомобильным
преобразователям дешёвые заводские усилители уже не впечатляют, а хорошие —
слишком дороги. Но, порой даже радиолюбители со стажем, делают ошибки при
проектировании и сборке автомобильных преобразователей. Попробуем разобраться,
что откуда берётся и куда девается…
Для большей доходчивости начнем с самого начала, а именно
со школьного курса физики, а точнее с проводника, через который протекает ток.
Для этого возьмем источник ЭДС (Электро Движущей Силы), в нашем случае это будет
батарейка, и проводник, через который собственно и будем пропускать ток (видео
1).
Видео 1.
Для большей наглядности сделаем проводник прозрачным, между
точками соединения его и источником ЭДС. Ну а теперь вспомним собственно физику,
которая гласит:
ЕСЛИ ЧЕРЕЗ ПРОВОДНИК ПРОТЕКАЕТ ТОК, ТО ВОКРУГ ПРОВОДНИКА
ВОЗНИКАЕТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ПРИЧЕМ НАПРАВЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ЛИНИЙ БУДЕТ РАСПОЛАГАТЬСЯ
ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКЕ ПО ОТНОШЕНИЮ К НАПРАВЛЕНИЮ ПРОТЕКАНИЯ ТОКА.
Данное определение выбрано не случайно — оно вроде бы
и поясняет все правильно, в тоже время достаточно витиевато и понять однозначно,
что куда движется и куда крутится несколько затруднительно. Потому копнем
немного глубже…
В давние времена, когда человечество лишь осваивало загадки
электричества, было выяснено, что ЧТО-ТО действительно движется по проводнику.
Но общего мнения достигнуто не было и одни утверждали, что по проводнику
движутся отрицательно заряженные частицы от минуса к плюсу, а другие, до хрипоты,
доказывали, что как раз таки наоборот — по проводнику движутся положительные
частицы от плюса к минусу. Последние были более настойчивые и убедили весь мир
в том, что именно ток течет от плюса к минусу, поскольку ПЛЮС всегда означал
излишки, а вот МИНУС — недостаток. На этом и порешили — ТОК ПРОТЕКАЕТ ОТ ПЛЮСА
К МИНУСУ.
Примерно такая же ситуация сложилась и с магнитным полем
— было решено считать, что направление магнитного поля будет именно по часовой
стрелке, поскольку для большей понятности и описания того, что нельзя потрогать
руками нужны хоть какие то определения.
В результате получаем следующую картину: при движении положительно
заряженной частицы от плюса к минусу вокруг нее возникает магнитное поле, причем
направление магнитных линий будет по часовой стрелке, т.е. поле вращается (видео
2).
Видео 2
В данном случае красный шарик это и есть положительно
заряженная частица — электрон, ну а синее колечко со стрелочкой — магнитное
поле. На самом деле электронов в проводнике гораздо больше, а на рисунке они
движутся по одному, чтобы было наглядней…
Так же было выяснено, что сила магнитного поля напрямую
зависит от протекающего тока, т.е. чем больший ток протекает через проводник,
тем сильнее и больше будет магнитное поле вокруг проводника.
Для наглядности возьмём ещё одну батарейку и соединим последовательно
с имеющейся. Таким образом мы увеличим прилагаемое напряжение, а поскольку сопротивление
проводника остается неизменным, то у нас увеличится в два раза сила тока. Эту
закономерность выяснил один умнейший человек по фамилии Ом. За это формулы,
позволяющие вычислить зависимость тока от сопротивления, называются законом
Ома и математически выглядят следующим образом:
I = U / R
где I — ток (измеряется в АМПЕРАХ), U — напряжение (измеряется
в ВОЛЬТАХ), R — сопротивление (измеряется в ОМАХ). Данная формула является базовой
и именно за нее ставят двойки в школе…
Так же Ом вычислил зависимость мощности от приложенного
напряжения и протекающего тока. Для наглядности все его формулы можно изобразить
на одном рисунке (рисунок 3), который весьма полезно держать под рукой, если
занимаетесь конструированием электронных устройств.
Рисунок 3
Но вернемся к нашему проводнику, через который увеличился
ток, следовательно и увеличилось магнитное поле и по размеру и по силе. В результате
получается ситуация, показанная на видео 4:
Видео 4
Но может возникнуть вопрос: ЕСЛИ ПОЛЕ ВОЗНИКАЕТ ВОКРУГ
ЭЛЕКТРОНА, ТО ПОЧЕМУ ГОВОРЯТ, ЧТО ОНО ВОКРУГ ПРОВОДНИКА?!
Ответ довольно прост — скорость электронов равна скорости
света, т.е. 330000 км/с, а это уже достаточно большая скорость. Кроме этого
по проводнику движется не один электрон, как у нас на рисунке, а сотни, тысячи,
десятки тысяч, в зависимости от приложенного напряжения. Следовательно расстояние
между электронами не велико. Магнитные поля электронов суммируются и в результате
получается довольно однородное магнитное поле, показанное на видео 5.
Видео 5
Кстати сказать, если рядом с проводником положить точно
такой же проводник и подключить к нему тот же источник ЭДС, то и вокруг второго
проводника возникнет магнитное поле и оно суммируется с магнитным полем первого
проводника. Магнитное поле именно суммируется, а не удвоится, поскольку в промежутке
между проводниками магнитные линии замкнуться вокруг каждого проводника, т.
е. возникнут потери силы магнитного поля (видео 6) именуемые вихревыми токами.
Видео 6
Теперь согнем наш проводник в виде кольца и посмотрим
как поведет себя магнитное поле вокруг проводника (видео 7).
Видео 7
Как видно из рисунка, вид магнитных линий несколько изменился.
Связанно это с тем, что направление магнитных линий совпадает, а ни для кого не
секрет, что магниты одного полюса отталкиваются. В данном случае и получается,
что магнитные линии являются однополюсными и в точке их соприкосновения возникают
силы отталкивания, которые изменяют форму этих магнитных линий. В результате
магнитные линии с малым радиусом остаются неизменными, поскольку их радиусы
не пересекаются. Магнитные линии с большим радиусом будут отталкиваться и смещаться
от точки пересечения. В результате форма магнитной линии приобретет форму овала
с увеличенным радиусом по вертикальной оси (для нашего случая) и сдвинется от
центра кольцевого проводника во внешнюю сторону.
Возьмем более длинный проводник и сделаем из него двойное
кольцо. В этом варианте сила магнитного поля увеличится, поскольку магнитные
поля 2-х проводников, через которые протекает ток в одном направлении суммируются.
Сила магнитного поля увеличится и магнитные линии с большим радиусом ещё сильнее
изменят свою форму, поскольку сила отталкивания в середине кольцевого проводника
увеличится.
В итого мы получим ситуацию изображенную в видео 8, из
которой не трудно сделать вывод о том, что сила магнитного поля зависит от количества
витков и от протекающего через катушку тока, поскольку он влияет силу магнитного
поля каждого электрона.
Видео 8
Теперь немного отвлечемся и проведем один эксперимент.
Возьмем более длинный проводник и свернем его в несколько колец. Эта конструкция
является по сути катушкой индуктивности и уже обладает некоторыми свойствами,
на которых следует остановиться подробней.
Прежде всего следует обратить внимание на то, что магнитное
поле уже обладает достаточно большой силой и при подключении источника ЭДС оно
уже способно совершать некоторую работу. К примеру поднимать стальную отвертку
от детского конструктора. Данная отвертка изготовлена из стали и является магнитным
материалом (видео 9).
Но поднятие отвертки происходит отнюдь не от того,
что магнитному полю совсем заняться нечем. Как лишь в магнитное поле попадает
магнитный материал, магнитные линии стремятся сократить свой радиус, поскольку,
как и все, обладает достаточно большим запасом лени и ему не хочется перемещаться
по большому радиусу, тем более если есть возможность сократить свой путь через
магнитный материал. В результате сокращение длины магнитной линии до максимально
возможной длины, производится работа по приближению магнитного материала до минимального
расстояния, т.е. до упора отвертки в саму катушку.
Видео 9
В данном случае у нас получился соленоид, он же электромагнит.
Но, использование катушки индуктивности в качестве электромагнита
это далеко не все ее возможности, ну а чтобы разобраться в остальных свойствах
следует более детально рассмотреть процессы происходящие в катушке. Правда перед
этим ещё немного отвлечемся и обратим внимание на некоторые свойства магнитного
поля, а именно на его способность возбуждать в проводнике движение электронов,
т.е. электричества.
Теперь немного о величинах. Базовыми величинами в электричестве
являются напряжение и ток. Напряжение измеряется в вольтах, причем так и говорят
ВЕЛИЧИНА НАПРЯЖЕНИЯ СОСТАВЛЯЕТ СТОЛЬКО ТО ВОЛЬТ. Ток измеряется в амперах, причем
обязательно уточняют, что СИЛА ТОКА СОСТАВЛЯЕТ СТОЛЬКО ТО АМПЕР. Если электричество
сравнить с человекоподобным организмом, то напряжение является ростом, а сила тока — мускульной массой.
Если следовать этому сравнению, то высокий человек может
достать кошку с дерева, а высокое напряжение — ваши пальцы, если они без защиты.
В тоже время если сила тока мала, то ее не хватит для вращения якоря двигателя,
так же как не хватает силы у слабого человека при поднятии штанги в 100 кг.
В электричестве есть ещё одно понятие, определяющее сразу оба параметра — и
величину напряжение и силу тока. Этот параметр называется мощностью и состоит
он из произведения напряжения на ток. Для людей это сравнимо с понятием ФИГУРА
— "умножение" роста на ширину плеч. После очередного отвлечения возвращаемся
к электронам и магнитным полям.
Из школьного курса физики опять вспоминаем, что при пересечении
магнитным полем проводника, в этом проводнике возникает ЭДС, причем направление этой
самой ЭДС противоположно. Другими словами — если ток течет от наблюдателя, то
магнитные линии вращаются по часовой стрелке. Если магнитное поле вращается
по часовой стрелке, то возникающий в проводнике ток будет протекать к наблюдателю.
Так же не стоит забывать о том, что величина получившийся в проводнике ЭДС пропорциональна
скорости движения магнитного поля и если проводник просто находится в не меняющемся
магнитном поле неподвижно, то ЭДС в проводнике не возникнет.
Для большей наглядности соберем конструкцию, показанную
на рисунке 12.
Рисунок 12
Данная конструкция состоит из 3-х последовательно соединенных
элементов питания, типа "пальчиковых" батареек, которые выступают
в роли источника ЭДС, выключатели типа "рубильник", ну и конечно же
проводника сложенного в три кольца и представляющего из себя катушку индуктивности.
Пока "рубильник" выключен, ни чего интересного
не происходит, но стоит включить "рубильник", как начинаются процессы
показанные на видео 13.
Видео 13
Появляющиеся электроны не дают увеличиться току мгновенно,
поскольку препятствуют протеканию электронов от источника ЭДС.
Но, через некоторое время магнитное поле достигает
своей максимальной величины и перестает увеличиваться (видео 14).
Видео 14
Поскольку магнитное поле не изменяется, то и "встречные"
электроны не образовываются, следовательно ток достигает своей максимальной
величины.
Теперь самое время разомкнуть наш рубильник и посмотреть,
что будет дальше. А дальше происходит следующее: электроны от источника ЭДС
перестают поступать в проводник и магнитное поле начинает уменьшаться. Причем
уменьшаясь магнитное поле снова пересекает витки проводника и в нем снова возникают
электроны, но в этот раз их движение будет в том же направлении, в котором протекал
ток от источника ЭДС (видео 15).
Видео 15
Таким образом мы выяснили, что проводник свернутый кольцами,
т.е. катушка индуктивности, обладает довольно интересными свойствами, а именно:
— при подаче напряжения на выводы катушки ток в ней достигает
максимального значения не сразу, а спустя некоторое время. Это происходит из
за того, что возникающее магнитное поле способствует возникновению электронов
движущихся в противоположную сторону от основного потока. Время, через которое
ток достигнет максимального значения зависит от количества витков катушки и
от сердечника (магнитопровода), который используется для концентрации магнитного
поля в одном месте.
Возникновение электронов в соседнем проводнике под действием
увеличивающегося магнитного поля называется взаимоиндукцией.
— при снятии напряжения с выводов катушки напряжение на
выводах продолжает присутствовать ещё некоторое время, поскольку уменьшаясь
магнитное поле пересекает витки катушки и тем самым провоцирует появление новых
электронов, которые теперь движутся в том же направлении, что и от источника
ЭДС.
Возникновение электронов в соседнем проводнике под действием
уменьшающегося магнитного поля называется самоиндукцией.
Оба этих явления широко используются в электронике, например
взаимоиндукция широко используется в фильтрах импульсных источников питания,
а самое широкое использование свойств самоиндукции используется с системах зажигания
бензиновых двигателей внутреннего сгорания, где катушка зажигания, используя
самоиндукцию, позволяет получить несколько тысяч вольт из бортового напряжения
для получения разряда между контактами свечи зажигания.
Кроме этого, эффект взаимоиндукции используется во ВСЕХ
трансформаторах, не зависимо от того импульсные они, или же рассчитаны на работу
с гармонически меняющимся напряжением (синусоида сети 220 В).
Выше упоминался сердечник, он же магнитопровод. Давайте
разберемся что это такое и для чего оно нужно…
Одно название МАГНИТОПРОВОД уже говорит о том, что ЭТО
является ПРОВОДником для МАГНИТа, т.е. этот материал обладает такими свойствами,
которые позволяют ему удерживать магнитное поле в определенных рамках, а не
распространятся ему куда попало. Использование магнитопровода позволяет существенно
уменьшить габариты катушки индуктивности. Для тех кто не помнит, напоминаем
— у любой катушки базовыми являются два параметра — собственно индуктивность
(измеряется в Генри, сокращенно Гн) и мощности (измеряется в Ваттах, сокращенно
Вт). Первый параметр зависит от количества витков и материала сердечника. Второй
— от того, каким проводом эта катушка намотана, т.е. материал проводника и
его сечение. От сечения проводника зависит какой ток можно пропускать через
катушку без теплового повреждения изоляции проводника, но об этом несколько
позже — вернемся к магнитопроводу.
Магнитопровод изготавливают из различных материалов, которые
награждают катушку теми или иными дополнительными свойствами, например для низкочастотных
индуктивностей и трансформаторов используют трансформаторное железо, точнее
электротехническую сталь. От обычной стали она отличается наличием дополнительных
примесей, способствующих более хорошей способности проводить магнитный поток.
Для высоких частот самым популярным материалом для сердечников является феррит.
Трансформаторов? Да, да — трансформаторов. В трансформаторе
работают те же принципы взаимоиндукции, с той лишь разницей, что возникающее
магнитное поле кроме электронов в самом проводнике через который пропускают
ток, возбуждает появление электронов в другой обмотке, расположенной на том же
магнитопроводе.
Для наглядности рассмотрим конструкцию, показанную ниже.
Видео 16
В данном конкретном примере имеется Ш-образный магнитопровод,
состоящий из 2-х половинок и две одинаковые обмотки из синего и красного проводников.
Подразумевается, что проводники покрыты изоляционным лаком, как настоящие обмоточные
провода и при механическом контакте проводников друг с другом замыкания между
проводниками не возникнет.
Кроме Ш-образных магнитопроводов существует несколько других
видов (видео 17), но задача у всех магнитопроводов одна — удерживать магнитное
поле в заданных рамках.
Видео 17
Итак, мы имеем Ш-образный сердечник на котором имеется
одна обмотка из синего провода, а вторая из красного провода. Для большей наглядности
соберем не сложную схему, показанную в видео 18, в которой используются стрелочные
приборы со средней точкой, т.е. способные отображать как положительные, так
и отрицательные величины.
Видео 18
Ну а теперь немного поэкспериментируем — будем переключать
пакетник то влево, то вправо и посмотрим, что из этого получится. На видео
19 видно, что при включении пакетника ток в синей обмотке появится не сразу,
а лишь спустя какое то время, поскольку будет мешать взаимоиндукция между соседними
витками обмотки. Но это же явление способствует появлению напряжения в красной
обмотке. Как лишь магнитное поле достигнет максимального значения, магнитные
линии перестанут пересекать витки красной обмотки и напряжение в ней исчезнет.
Это состояние называется насыщением сердечника и для трансформатора это критическое
состояние, поскольку синяя обмотка теперь выступает в роли не катушки индуктивности,
а в роли активного сопротивления, а у обмоточного провода оно не велико.
Видео 19
Если же пакетник снова перевести в вертикальное положение,
то магнитное поле начнет уменьшаться, магнитные линии снова начнут пересекать
витки катушек. Ток через синюю обмотку перестанет протекать, однако
показания первого вольтметра ещё некоторое время будут сохраняться, поскольку
магнитные линии возбуждают напряжение и в синей, и в красной обмотке. Следует
заметить, что полярность на красной обмотке изменится, поскольку магнитные линии
будут пересекать витки обмотки в другом направлении. Т.о. накопленная
в сердечнике магнитная энергия преобразуется в электрическую.
При включении пакетника вправо процессы повторяться, лишь
полярность показаний изменится, поскольку изменится полярность подключения источника
ЭДС к выводам синей обмотки.
Т.о. мы получаем трансформатор, в котором синяя
обмотка является первичной, поскольку к ней прикладывается напряжение, а красная
обмотка является вторичной, поскольку напряжение на ней зависит от напряжения
приложенного к синей обмотке. В нашем случае количество витков и синей и красной
обмоток равно, поэтому коэффициент трансформации равен 1. В этом случае напряжение
на выводах красной обмотки, будет равно напряжению на выводах синей обмотки.
Если же у синей катушки витков будет больше, чем у красной,
то трансформатор будет понижающий. В этом случае напряжение на выводах красной
обмотки, будет зависеть от разницы витков между обмотками. Напряжение
можно рассчитать по формуле:
U1 / V1 = U2 / V2
где U1 — напряжение приложенное
к выводам синей обмотки (первичное напряжение), V1 — количество витков синей
обмотки, U2 — напряжение на выводах красной обмотки (вторичное напряжение, V2
— количество витков вторичной обмотки. Другими словами мы получили пропорцию,
следовательно зависимость напряжений от количества витков является пропорциональной
и при отсутствии одного из значений этой пропорции ее достаточно просто решить.
К примеру мы имеем 20 витков первичной обмотки, а первичное
напряжение составляет 30 В. Вторичная обмотка у нас состоит из 10 витков, следовательно
напряжение на вторичной обмотки составит U1 x V2 / V1 — 30 x 10 / 20 = 15 В.
Если же у первичной обмотки количество витков меньше, чем
у вторичной, то трансформатор получается повышающим, поскольку напряжение на
вторичной обмотке будет больше, чем на первичной
Количество витков первичной обмотки должно рассчитываться
таким образом, чтобы сердечник магнитопровода не входил в насыщение, поскольку
это вызывает не нужный нагрев обмотки трансформатора и конечно же не нужное
потребление энергии от источника питания.
Методик по расчету типовых трансформаторов, работающих
от сети 220 В, довольно много, поэтому останавливаться на этом не будем, а перейдем
сразу к финалу расчетов — программе
для расчета низкочастотного трансформатора, уж извиняюсь, не известного
автора. Если же кто то хочет разобраться досконально с принципами расчетов,
то наиболее подробно изложено здесь.
Очень подробная и расширенная статья.
Методик по расчету импульсных трансформаторов тоже не мало,
поэтому перейдем сразу к программе, которую можно взять здесь.
Автор программы Багаев М.С.
И низкочастотный и высокочастотный трансформаторы имеют
свои плюсы и минусы при использовании их в качестве силовых трансформаторов
в источниках питания. Первые имеют большие габариты и вес, но способны работать
непосредственно от сети 220 В. Вторые компактны, легки, но требуют дополнительной
электронной обвязки.
Рассмотрим принципы построения высокочастотных, они же
импульсные блоков питания с использованием трансформатора, который в качестве
магнитопровода использует сердечник из феррита.
Базовых схем для высокочастотного преобразования несколько:
Однотактные, прямоходовые;
Однотактные, обратноходовые;
Двухтактные, полумостовые;
Двухтактные, мостовые;
Двухтактные, со средней точкой
Чем они отличаются и как работают в следующей статье: часть 2.